На правах рукописи

СМУРОВ Алексей Олегович СОЛЕНОСТНЫЕ АДАПТАЦИИ ИНФУЗОРИЙ РОДА PARAMECIUM (CILIOPHORA, PENICULIA) 03.00.33 Протистология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт Петербург 2006

Работа выполнена в Лаборатории солоноватоводной

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

гидробиологии ЗИН РАН и Лаборатории зоологии беспозвоночных БНИИ Биолого почвенного факультета Актуальность работы:

СПбГУ, г. Санкт Петербург Проблема отношений между индивидуумами, популяциями и средой их обитания является одной из основных проблем биологии. Известным способом изучения этих отношений Научные руководители: являются экспериментальные исследования.

доктор биологических наук Фокин Сергей Иванович Для разработки теоретических положений и получения прак доктор биологических наук Аладин Николай Васильевич тических результатов при изучении адаптаций организмов исключительное значение имеет феномен акклимации, который

Официальные оппоненты: заключается в реагировании организма на изменения только доктор биологических наук Скарлато Сергей Орестович одного какого либо фактора среды. Очевидно, что исследование доктор биологических наук, акклимации можно провести в "чистом" виде только в лаборатор профессор Бергер Виктор Яковлевич ных условиях. В настоящее время явление акклимации, которое первоначально рассматривалось как лабораторный феномен, под Ведущее учреждение: Педагогический университет им. тверждено многочисленными исследованиями и для естественных А.И. Герцена популяций организмов, относящихся ко многим систематическим группам (Хлебович, 1981). Наибольшее количество работ к настоящему времени посвящено изучению температурных акклимаций организмов. Акклимации к другим факторам среды, в том числе и к изменению солености, изучены менее полно.

Защита диссертации состоится л 2007 г. в Несмотря на значительные методические сложности ис часов на заседании Диссертационного совета Д 002.223.01 по следования адаптаций одноклеточных организмов, протисты как защите диссертаций при Зоологическом институте РАН по экспериментальные объекты обладают по сравнению с мно адресу:

гоклеточными гидробионтами рядом преимуществ, а именно возможностью: а) вырастить в короткий срок большое количество 199034, Санкт Петербург, Университетская наб. д. 1, актовый экспериментальных клеток; б) работать с генетически однородным зал.

материалом. Кроме того, простейших в силу своей двойственной природы, т.е. сочетания в своей организации одноклеточности и полноценного организма можно рассматривать как более простой экспериментальный объект по сравнению с многоклеточными

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке организмами, при изучении которого не нужно учитывать спе Зоологического института РАН цифику функционирования клеток различных тканей.

Успех экспериментальных исследований в значительной мере предопределяется выбором объекта, который должен соот

Автореферат разослан л_ 2007 г.

ветствовать нескольким критериям. Кроме легкости и быстроты проведения экспериментов, значение имеет также накопленный в литературе большой объем информации об этом организме. Этим

Ученый секретарь условиям удовлетворяют инфузории, принадлежащие к родам Диссертационного совета, Paramecium и Tetrahymena, о чем свидетельствует имеющееся к кандидат биологических наук Н.А.Петрова настоящему времени огромное количество публикаций по различным аспектам биологии и физиологии этих простейших.

4 Большинство экспериментальных исследований отношения остаются практически неизменными для каждого вида, если в инфузорий к солености среды выполнено на парамециях, пред качестве среды при их оценке используется вода с постоянными ставители рода Tetrahymena в этом отношении исследованы соотношениями ионов.

значительно хуже. Важное значение для настоящего исследования Для континентальных водоемов характерны иные, чем в оке имеет то, что все виды рода Paramecium способны существовать в ане, пропорции ионов, которые изменяют соленостные реакции пресноводных биотопах. Кроме того, парамеции регулярно встре гидробионтов. Исследователями давно было замечено, что в конти чаются в олигогалинных участках эстуариев, и иногда одни и те нентальных соленых озерах при той же солености, что и в море, же виды были обнаружены одновременно как в полигалинных, многие виды имеют более широкие соленостные толерантные ди так и в пресных водах. апазоны (Хлебович, 1974; Аладин, 1995; Williams, 1998). Однако В недавнее время впервые был проведен многоуровневый этот результат получен только для многоклеточных гидробионтов:

анализ данных, полученных для большинства известных видов одноклеточные организмы отсутствуют в списке тестированных парамеций, по единой схеме с использованием максимально стан видов. Поэтому мы решили изучить также влияние воды с дру дартизированных оценок, позволивший выявить филогенети гими, чем в океане, ионными пропорциями (аральской) на толе ческие связи и разработать систематику рода Paramecium (Фокин, рантные полигоны и потенциальную толерантность парамеций.

2001, 2002; Fokin et al., 2004). Такое исследование оказалось Среди реакций организма на изменение солености среды, кроме возможным благодаря собранной С.И. Фокиным уникальной резистентности и толерантности, перспективно изучение изме коллекции живых культур парамеций, включающей почти все нения уровня белков теплового шока, что также может отражать валидные морфологические виды. Соответственно, появилась эволюционные тенденции видов, различающихся по своему возможность провести исследование соленостных реакций отношению к солености среды.

нескольких видов рода Paramecium по стандартным схемам.

Полученные в результате экспериментов данные с учетом уже Цель и задачи исследования:

имеющихся сведений о филогенетическом положении видов дают Основной целью работы была проверка высказанной нами возможность увидеть, как менялись соленостные реакции пара гипотезы о соответствии между филогенетической позицией раз меций в процессе эволюции. В свою очередь, это позволило обо личных видов рода Paramecium и их соленостными реакциями.

сновать новую методологию анализа данных по экологическим реакциям видов для использования их в филогенетических и В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

систематических построениях. 1. Разработать методы оценки соленостной толерантности у Феномен соленостных адаптаций можно изучать на разных инфузорий.

уровнях, от молекулярного до уровня экологии популяций. 2. Выявить потенциальные соленостные толерантные диапа Действительно, в литературе имеются факты, показывающие зоны и построить соленостные толерантные полигоны для 13 видов существование феномена адаптации к солености у Paramecium как инфузорий рода Paramecium, различающихся по своему отноше на указанных, так и на промежуточных уровнях (Плеханов и др., нию к солености среды.

2006; Ax, Ax, 1960; Cronkite et al., 1991; Tominaga et al., 1998; 3. Сопоставить полученные данные по потенциальной соленост Stock et al., 2001). Так как было невозможно охватить в нашем ной толерантности и соленостным толерантным полигонам видов исследовании весь спектр проблем, касающихся соленостных рода Paramecium с филогенетическими построениями, сделан адаптаций парамеций, мы ограничили поле исследований. Глав ными ранее на основе морфологических, морфометрических и ное внимание было уделено изучению соленостной толерантности молекулярно биологических данных для тех же самых видов и резистентности различных видов инфузорий рода Paramecium. парамеций.

В настоящей работе мы использовали два взаимосвязанных 4. Оценить различия в толерантности разных парамеций к подхода, которые позволили, как нам кажется, успешно срав изменению солености воды с аральским и океаническим составом нивать экологические характеристики видов: толерантный по солей во всем диапазоне потенциальной соленостной толерант лигон и потенциальную толерантность. Эти характеристики ности видов.

6 5. Получить данные об изменении уровня белков теплового и списка цитируемой литературы. Работа изложена на шока семейства 70 кДа в клетках пресноводных парамеций при страницах, содержит 40 рисунков и 7 таблиц.

изменении солёности среды их обитания.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Научная новизна работы:

1. Разработан новый метод определения толерантных границ Глава 1. Материал и методика.

у одноклеточных организмов. Экспериментальные исследования выполнены в лаборатории 2. Выяснено, что род Paramecium пресноводного происхождения. солоноватоводной гидробиологии Зоологического института РАН, 3. Впервые установлено, что одноклеточные организмы могут Беломорской Биологической станции Зоологического института реагировать на изменение солености среды изменением уровня РАН и лаборатории Зоологии беспозвоночных БиНИИ Санкт содержания белков теплового шока семейства 70 кДа. Петербургского государственного университета в 1995 2005 гг.

4. Изменения толерантных границ одноклеточных организмов Всего в работе было использованы 20 клонов 13 видов пара при их адаптации к воде с составом солей, отличающимся от океа меций из коллекции живых культур лаборатории беспозвоночных нического, происходят так же, как и у многоклеточных организ БНИИ Санкт Петербургского университета: P. caudatum (KARмов. 1), P. multimicronucleatum (YIA3 3, GL 5), P. jenningsi (IA, SA10), P. bursaria (PK 60), P. putrinum (PG 5), P. primaurelia (HVТеоретическая и практическая значимость работы: 2), P. biaurelia (T10 5), P. sexaurelia (Psex 3), P. polycaryum (Sh2 4, В настоящей работе установлена возможность применения K 2, Pp 5), P. calkinsi (OCE4 1), P. duboscqui (AHV3 3, BB2 3), P.

разработанных ранее методов изучения температурных адаптаций nephridiatum (I1 5 4, SR98 1, SR98 2), P. woodruffi (BB 5).

многоклеточных гидробионтов в исследованиях по соленостным Инфузорий культивировали на салатной среде инокулиро адаптациям одноклеточных организмов. Показана возможность ванной Klebsiella aerogenes (Sonneborn, 1970). Необходимую использования данных по соленостной потенциальной толе соленость создавали добавлением в среду раствора искусственной рантности организмов в исследованиях по их систематике. Мате морской соли, приготовленной по рецепту Шубравого (1983) на риалы диссертации могут быть использованы при чтении курсов дистиллированной воде или разведением дистиллированной водой по протистологии и экологии беспозвоночных. концентрата беломорской морской воды. Инфузорий кормили 2 раза в неделю.

Апробация работы: Устойчивость инфузорий к действию солености была опреде Основные материалы диссертационной работы доложены и лена для P. caudatum, P. jenningsi, P. polycaryum, P. putrinum, P.

обсуждены на VI, VII и VIII конференциях по теме "Проблемы sexaurelia, P. bursaria, P. calkinsi и P. nephridiatum.

изучения, рационального использования и охраны природных Во время "острых" опытов клетки переносили из среды, в кото ресурсов Белого моря" в 1995, 1998 и 2001 гг., на Беломорской рой их содержали, в ряд тестовых соленостей в диапазоне 5 15 Й.

конференции СПбГУ в 2001 г., на Отчетных сессиях Если клетки какого либо клона выживали в данной солености, то Зоологического института РАН в 1997, 1998, 2000, 2003 и 2005гг., опыт повторяли в ряду более высоких соленостей (15 60 Й).

на семинарах лаборатории солоноватоводной гидробиологии ЗИН В каждом опыте, который проводили в одной повторности для РАН. каждого значения солености, тестировали смертность 25 клеток (как правило, 30 40), а в контроле, 25 30 клеток.

Публикации: Для полученных в фиксированные промежутки времени По теме диссертации опубликовано 9 статей, 1 глава в данных по смертности рассчитывали логиты, для которых затем коллективной монографии и 7 тезисов докладов. находили коэффициенты уравнения линейной регрессии.

Полученные уравнения использовали для расчета времени 10% Структура и объем работы: (LT10), 50% (LT50) и 90% (LT90) смертности клеток в тестовой соле Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов ности.

8 В ходе выполнения этой работы применяли два способа опре Глава 2. Систематика и филогения парамеций.

деления толерантных границ. В первом из них за толерантную Род Paramecium относится к подклассу Peniculia класса границу принимали асимптоту, перпендикулярную оси тестовой Oligohymenophorea. Пеникулины были впервые указаны как солености, полученную с помощью расчета дробно линейной ре таксон высокого ранга в работе Корлисса (Corliss, 1956). Группа грессии. Для расчета дробно линейной регрессии была создана получила название благодаря присутствию у клеток пеникулюса, оригинальная программа, в которой реализовано несколько алго который был впервые описан в работе Гелеи (Gelei, 1934) и позднее ритмов ее расчета (Smurov et al., 1999). использован в целях таксономии (Faure Fremiet, 1950).

Второй способ основан на предложенной нами методике Вудруф (Woodruff, 1921) ввел подразделение рода Paramecium (Smurov, Fokin, 1998), которая учитывает особенности биологии на две группы не таксономического характера: "aurelia" и протистов. Мы предложили считать толерантной границей не "bursaria". К этой группе относят виды комплекса "P. aurelia", а летальное значение солености для отдельных клеток, а таковое также P. caudatum, P. multimicronucleatum, P. jenningsi и P.

значение для клеточной популяции. При этом учитывается, что wichtermani (Wichterman, 1986). Группа видов "bursaria" вклю отдельные клетки, подвергнутые действию солености могут выжи чает P. bursaria, P. calkinsi, P. polycaryum и P. putrinum.

вать и существовать в течение длительного времени, но при этом Изучение морфологических особенностей видов этих групп не способны дать потомство, которое, выжив, в свою очередь тоже (строения и числа ядер, топографии кинет и кинетосом, способа даст потомство. стоматогенеза при делении, особенностей конъюгации и т.п.) в Потенциальная соленостная толерантность инфузорий, аккли дополнение к форме тела позволило Янковскому предложить мированных к различным соленостям, и толерантные соленостные деление рода на 3 группы, имеющие статус подрода: Helianter, полигоны были получены для 15 клонов, относящихся к 13 видам Cypreostoma и Paramecium (Янковский, 1969; Jankowski, 1972).

парамеций. Янковским была также предложена схема эволюции рода, Примененный нами метод получения данных, необходимых для которая, по его мнению, происходила следующим образом:

построения толерантного полигона, заключается в акклимации к Helianter P Cypreostoma P Paramecium.